飛機復合材料維修中非常規(guī)固化技術的有效運用

張 凱（北京飛機維修工程有限公司，北京 100000）

飛機復合材料維修中非常規(guī)固化技術的有效運用

張 凱
（北京飛機維修工程有限公司，北京 100000）

非常規(guī)固化技術在飛機的復合材料維修中具有重要意義，隨著飛機使用復合材料的比重不斷擴大，對飛機復合材料維修技術的有效運用就顯得越來越重要。對于飛機復合材料維修的非常規(guī)固化技術，主要有微波固化技術、電子束固化技術以及紫外光固化技術三種。在可預見的未來，飛機使用復合材料的比重還將持續(xù)加大，研究非常規(guī)固化技術將對復合材料的膠結固化維修起到重要作用。

飛機復合材料；維修；非常規(guī)固化技術；運用

飛機復合材料具有質量輕、強度和剛度高、耐腐蝕的優(yōu)點，相比于純鋼結構，大量使用復合材料更有利于飛機制造和維護，因此復合材料也成為了目前民用航空器領域結構材料的生力軍。目前民用飛機在包括蒸餾包皮、發(fā)動機機罩、擾流器、阻力版、起落架艙門等多個部位大量使用了復合材料，因其更優(yōu)的可靠性和經濟性，復合材料越來越受到民用飛機制造商的歡迎。

1　微波固化技術

復合材料會因微波的作用而產生內部溫度升高并逐漸融化的現象，并產生化學反應。微波固化主要借助“致熱效應”和“非致熱效應”原理［1］：“致熱效應”認為，微波固化是因使用微波導致復合材料升溫，以至于加速了其中的反應而導致的；“非致熱效應”則認為，微波固化是因微波輻射場對例子和極性分子的洛倫茲力作用而導致。目前的觀念更偏向于采用“致熱效應”來解釋微波固化技術，也就是復合材料受到外加的電磁場作用而導致其內部的介質發(fā)生極化，使得產生的極化強度矢量比外電場的一個角度落后，致使電場產生相同的電流，使得材料內部的功率消耗，進而將微波能轉化成了熱能。微波加熱和常規(guī)的、采用外在熱源加熱的方式不同，常規(guī)熱源的導熱途徑是由外至內，而微波導熱則是因介質損耗而引起的體積加熱，從這一點來看，微波能使復合材料的各個部位熱量均勻，并且微波加熱的速度也遠超常規(guī)熱源，因此，微波固化技術效率較高、固化速度較快，并且更容易控制。微波固化技術的關鍵在于它可以使用便攜式的修復設備，目前我國研制出一種便攜式微波固化機，還有多種微波施加器。使用這些便攜式的設備能夠在20s左右的時間里完成固化修復工作，并且此方法修復過的復合材料強度可以達到原材料的八成以上。

2　電子束固化技術

電子在電場中受力，提高能量并經過匯集后成束，其具有能量高和密度高的特點，在日常生活中，早期的電視機以及計算器等產品都運用了電子束技術。在對飛機復合材料的修復中，樹脂基符合材料中的樹脂通常采用電子加速器，為電子運動提供足夠的能量后，電子束照射到樹脂體系中，高能的電子會沖擊C-H鍵，為分子活動提供足夠的能量，破壞原有熱平衡后，使一部分鍵斷裂并釋放大量的氫原子和處于活躍狀態(tài)的碳分子，形成和離子、電子以及自由基相同屬性的活性中間體［2］。此時，當兩相鄰分子位置相近時，活躍狀態(tài)下的碳原子就會釋放活化能，從而形成化學鍵，化學鍵會促使兩個分子之間產生交聯反應，從而最終固化。電子束的原理就在于通過使用離子輻射照射就可以讓聚合物發(fā)生降解、合成或性質改變的反映，而聚合物發(fā)生反應的程度和材料本身的屬性與促進劑、固化劑以及穩(wěn)定劑等因素都存在關系，通過電子束照射，復合材料會產生復雜的化學反應，最終固化。電子束固化技術比常規(guī)固化技術的優(yōu)勢在于，電子束固化技術能夠在室溫或更低溫的狀態(tài)下進行，并且固化效率高，所需時間僅為數分鐘，最短僅需數秒鐘即可完成。電子束固化技術不僅可以完全避免構件翹曲變形，還能忽略不同材料在流動性和線性膨脹系數方面的各項差異。

3　紫外光固化技術

飛機復合材料之所以會產生裂紋，主要是由于變載荷，裂紋是飛機材料變載荷作用下的失效表現形式。紫外光固化技術有效利用了光敏劑的感光性，在紫外光的照射下，材料內部的分子發(fā)生分解產生自由離子，使得不飽和的有機物進行聚合、交聯等化學反應，最終達到加固材料的目的。理論上，所有波長的光段都能引起復合材料的固化反應［3］，但目前主要使用的光固化技術為紫外光，采用便攜式紫外光發(fā)射器，對光敏膠的修復區(qū)進行照射就可以快速固化復合次材料。紫外光固化技術可以在溫度較低的環(huán)境下進行，并且固化速度較傳統常規(guī)的固化技術來說更快。另外，紫外光固化的過程更簡潔，也不需要非常高端、精密、昂貴的儀器，使用成本很低，目前已經在對飛機復合材料的固化領域得到廣泛應用。雖然紫外光在修復飛機復合材料方面具有很多優(yōu)勢，但也存在一些缺點：第一，當前所使用的紫外固化膠剪切強度較低，在20MPa以內只能應對非常輕微的損傷；第二，紫外光固化技術需要復合材料粘連體具有較好的透光性，因為這里所使用的紫外光穿透力都很差，最大也僅為2mm，最多能應對材料表面的固化處理。

4　結語

隨著復合材料在飛機結構中的占比越來越大，未來對復合材料的固化修復技術應用將變得越來越重要。復合材料由于其高強度、耐腐蝕以及較高的經濟性，目前已經在飛機制造領域占有重要地位，盡早深入地研究復合材料更新、更經濟、更高效的固化技術目前看來已經是勢在必行。

［1］文友誼，文瓊華，李帆等.碳纖維增強樹脂基復合材料微波固化技術［J］.航空制造技術，2015，58（z1）:61-64.

［2］范興，張丹峰.電子束固化在軍機先進復合材料結構修理中的應用探討［J］.環(huán)境技術，2013，56（z1）:173-175.

［3］劉博，李勇，肖軍等.雙酚A型環(huán)氧樹脂紫外光固化工藝及其力學性能［J］.航空學報，2014，35（05）:1424-1432.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.257